DE1130414B - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen von Einkristallen Es ist bekannt, daß beim Ziehen von Einkristallen z. B. aus Ge oder Si etwa nach dem Czochralskiverfahren aus der Schmelze häufig Schwierigkeiten auftreten. Diese Schwierigkeiten können in zu starken Abweichungen vom idealen einkristallinen Gefüge liegen, wie es z. B. Zwillingsbildungen und unkontrollierbare Versetzungsdichten sind. Die Schwierigkeiten können aber auch rein wirtschaftliche Unbequemlichkeit sein, wie stark schwankende oder nicht genügend genau vorher bestimmbare Durchmesser der gezogenen Kristalle und dadurch bedingte häufig erforderliche Regelung der Heizung.
• Untersuchungen zeigten, daß insbesondere bei aus Quarztiegel gezogenemSi der starkeSauerstoffgradient in der Schmelze zu oft sehr vielfältiger Zwillingsbildung führt, wenn nicht in der Schmelze nahe dem Kristall ein starker Temperaturgradient erzwungen wird. Außerdem führt die beim Ziehen von Si-Kristallen aus Quarztiegeln an dem oberen Tiegelrand auftretende Sublimation stets dann zu Polykristallen, wenn ein Stück davon in den Tiegel auf die Schmelzoberfläche fällt.
• Diese letzte Schwierigkeit wird - wie Untersuchungen zeigten - bei größerem Tiegel und größeren Kristallen etwa, um zur besseren Wirtschaftlichkeit gleichzeitig größere Materialmengen verarbeiten zu können, stark durch die vergrößerte Grenzfläche Tiegel bzw. Quarz/Schmelze, die nötige höhere Temperatur der Tiegelwand und die verlängerte Ziehdauer erhöht. Auch ist es aus der Literatur (Kaiser und Keck, J. Appl. Physics, 28, S. 882) bekannt, daß das Ziehen von Si-Kristallen aus Quarztiegeln unter Schutzgas, wie es zur Verhinderung der Verdampfung des n-Dotierungsmaterials üblich ist, zwangläufig zu einem relativ hohen Sauerstoffgehalt der Schmelze und damit der Kristalle führt.
• Diese Schwierigkeiten werden weitgehend beim Ziehen von Einkristallen, insbesondere aus Silizium, bei dem der Kristall aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze unter Schutzgas gezogen wird, wobei Wärme dem Tiegel im wesentlichen durch die seitliche Tiegelwandung zugeführt wird, vermieden, wenn erfindungsgemäß das kühle Schutzgas kegelförmig um den Kristall auf die Grenzfläche festflüssig gerichtet eingeleitet wird.
• Durch diese Maßnahme wird direkt an der Grenzfläche fest-flüssig eine starke Abkühlung des Materials erzielt, wodurch an dieser Stelle ein starkes Temperaturgefälle entsteht. Es ist zwar bereits bekannt, beim Ziehen von Einkristallen und beim Zonenschmelzen Schutzgas durch ringförmige Rohranordnungen auf das bearbeitete Werkstück strömen zu lassen. Diese Maßnahmen dienen aber dazu, das fertig bearbeitete Werkstück, dessen Gefüge im wesentlichen bereits festliegt, schneller abzukühlen. Sie sind nicht geeignet, das Gefüge des Werkstückes, beispielsweise die Bildung des Einkristalls, günstig zu beeinflussen.
• Weitere Einzelheiten des Verfahrens gemäß der Erfindung, seine Vorteile und die Vorrichtung zu seiner Durchführung werden an Hand der Zeichnung beschrieben, die schematisch beispielsweise den Vertikalschnitt durch einen Tiegel mit der Schutzgaszuführung zeigt. In dem Tiegel 1 befindet sich die Schmelze 2 aus dem kristallisierenden Material, vorzugsweise aus Si, aus der der Kristall 3 gezogen wird. Aus Düsen 4 strömt das Schutzgas in Richtung der Pfeile A aus, und zwar nach einer Weiterbildung der Erfindung unter niederem Druck, etwa von maximal einigen Millimetern Hg. Dieses Schutzgas kann z. B. einer Bombe, möglichst unter Nachschaltung eines Gasreinigers, entnommen werden. Es kann z. B. einmal direkt in den Ofenraum geleitet werden, in dem sich der Tiegel befindet, zum anderen aber über einen Druckminderer und ein Nadelventil zeitlich konstant und dosierbar während des ganzen Ziehvorganges einströmen, wobei der Ofenraum an eine Pumpe angeschlossen ist, so daß im Ofen ein noch geringerer Druck aufrechterhalten wird als der des einströmenden Schutzgases, so daß dieses sich bei A stark ausdehnt und das einströmende Schutzgas ständig wieder, wie die Pfeile B andeuten, abgesaugt wird. Selbstverständlich können zur überprüfung des Vorganges im Ofenraum Druckmeßgeräte angebracht sein. Vorzugsweise wird an den Stutzen des Nadelventils ein Düsenrohr z. B. aasgeklinkt, das in ein etwa halbkreisförmig um den Kristall 3 gebogenes Rohr 5 übergeht und, wie in der Zeichnung gezeigt, in zwei schräg nach unten gerichteten Düsen 4 so endet, daß der Gasstrom A etwa kegelförmig auf die Berandung der Grenzfläche 6 festflüssig gerichtet ist und diese kühlt. Das Rohr 5 kann auch, was noch besser ist, weiter um den Kristall 3 gebogen sein und in mehr als zwei Düsen 4 enden, die vorzugsweise symmetrisch um den Kristall angeordnet sind. Diesen Düsen 4 können zur besseren Bündelung des Gasstrahles je nach den geometrischen Verhältnissen geeignete Formen gegeben werden, z. B. Kegel- oder Schlitzform.
• Durch die erfindungsgemäße Schutzgasspülung kann folgendes erreicht werden: Durch die Kühlung der Mitte der Schmelzoberfläche erfolgt ein größerer Wärmezufluß von der Tiegelwand her, d. h., es stellt sich ein höherer Temperaturgradient und damit - wie Untersuchungen zeigten - eine geringere Wahrscheinlichkeit der Zwillingsbildung ein. Dieser größere Temperaturgradient liefert ferner eine bessere Durchmesserstabilisierung infolge eines sich um den festen Kristall 3 bildenden und etwa auf der Schmelze 2 befindlichen Ringes aus Schutzgas. Ebenfalls im Sinne einer Durchmesserstabilisierung wirkt die Tatsache, daß bei einer Durchmesserverringerung der Gasstrahl mehr heißere Schmelze trifft, also stärker kühlen kann, bei einer Durchmesservergrößerung dagegen mehr kälteren festen Kristall überstreicht, also weniger Wärme aufnehmen kann. Das heißt, daß wenn man den Wärmeabfluß durch den Schutzgasstrom so groß macht, daß der Wärmeverlust durch den Kristall nicht mehr so stark ins Gewicht fällt, dann spielt die individuelle Form des Kristalls und damit seine individuelle Wärmeableitung keine so große Rolle mehr, und eine Mechanisierung des Ziehvorganges ist leichter.
• Bei dem verwendeten niederen Gasdruck kann ferner aus dem Quarztiegel frei werdender Sauerstoff leicht z. B. als Si O verdampfen und viel weniger in den Kristall gelangen. Der vom Kristall 3 zur senkrechten Tiegelwand radial nach außen über die Schmelze 2, z. B. aus Si, streichende Gasstrom A sorgt für einen sofortigen Abtransport des Si O unmittelbar von dessen Entstehungsort bis zur völligen Entfernung aus dem Ofenraum durch die Pumpe, erhitzt sich dabei und wird deshalb und wegen der zur Erreichung des höheren Temperaturgradienten heißeren Tiegelwandung weniger Si O an der Tiegelwandung niederschlagen als bei dem bekannten Verfahren, bei dem den von der Schmelze aufsteigenden heißen Gasen die an der Ofenwandung abgekühlten Gase ungerichtet entgegensinken, sich mit ihnen vermischen und so das Niederschlagen des SiO begünstigen, so daß keine sofortige Fortspülung der Verdampfungsprodukte aus dem Tiegelraum erfolgt. Das trifft insbesondere bei Verwendung größerer Tiegel zu, d. h. wenn der Durchmesser des Tiegels 1 groß ist gegen den des Kristalls 3. Der Sauerstoff gelangt von der senkrechten Tiegelwand kaum bis in die Gegend des Kristalls, sondern verdampft als SiO bei dem niederen Druck des Schutzgases vorher.
• Zur Erhöhung des Temperaturgradienten an der Grenzfläche festflüssig und zur Vermeidung von Sauerstoffbildung am Tiegelboden ist es außerdem zweckmäßig, möglichst hohe Tiegel mit einer sehr hochliegenden Schmelzschicht zu verwenden und die zur Aufrechterhaltung der Schmelze benötigte Wärme dem Tiegel im wesentlichen durch die seitliche Tiegelwandung zuzuführen. Das kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß man einen verkürzten Heizteil verwendet, der nicht bis zum Boden des Tiegels reicht.
• Die Sauerstoffentwicklung entsteht dadurch bevorzugt an der senkrechten Tiegelwandung, wo ein Abdampfen in Form von Si 0 ohne Gefahr für den Kristall stattfinden kann. Außerdem wird der radiale Temperaturgradient erhöht, was der Zwillingsbildung entgegenwirkt und eine noch bessere Durchmesserstabilisierung zur Folge hat. Außerdem kann der Tiegel für den Fall, daß die Schmelze erstarren soll, ganz herunter in nicht geheizte Gebiete gefahren werden. Es ist dadurch möglich, die Schmelze von unten her erstarren zu lassen, so daß sie sich dabei nach oben ausdehnen kann und weniger Sprengwirkung zeigt. Darüber hinaus ist die Erhitzung des Tiegelträgers, des Bodens, des Heizzylinders und vor allem der Befestig ungssehrauben geringer und damit die Haltbarkeit der Vorrichtung größer.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, insbesondere aus Silizium, bei dem der Kristall aus einer in einem Tiegel befindlichen Schmelze unter Schutzgas gezogen wird, wobei Wärme dem Tiegel im wesentlichen durch die seitliche Tiegelwandung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das kühle Schutzgas kegelförmig um den Kristall (3) auf die Grenzfläche festflüssig gerichtet eingeleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in mehreren Strahlen zugeführte Schutzgas unter geringem Druck, vorzugsweise von einigen Millimetern Hg, eingeleitet und gleichzeitig im übrigen Ofenraum ein noch wesentlich geringerer Druck von 10-2 mm Hg oder weniger aufrechterhalten wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer Ziehvorrichtung mit Tiegel, Ofen, Ziehmotor und einem nahe der Oberfläche der Schmelze befindlichen Ringrohr mit Düsen zum Einleiten von Gas, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (4) schräg nach unten auf die Grenzfläche (6) fest flüssig des Kristallmaterials gerichtet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 944 209; deutsche Auslegeschriften Nr.1032555,1044768; österreichische Patentschrift Nr. 194 444.